測控儀器設計教案

時間：2023-04-25 15:49:11 教案我要投稿

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測控03《測控儀器設計》教案

測控儀器設計教案

第一章緒論

1.1、儀器發展過程

儀器：是對物質世界信息進行測量與控制的設備。

1、按所采用的電子器件：

真空管-→晶體管-→集成電路(三個時代)

2、按組成結構、工作原理和功能特點：

模擬式-→數字式-→智能化(三個發展階段)

第一代：模擬式儀器。

如指針式的電壓表、電流表、功率表。機械式

特點：功能簡單、精度低、響應速度慢。

第二代：數字式儀器。

如數字萬用表、數字頻率計。數電

基本特點：是將待測的模擬信號轉換成數字信號進行測量，測量結果以數字形式輸出顯示并向外傳送。精度高，響應速度快，讀數清晰、直觀。

第三代：智能儀器。

概念：是計算機技術與測量儀器相結合的產物，是含有微型計算機或微處理器的測量儀器，由于它擁有對數據的存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能，具有一定智能的作用(表現為智能的延伸或加強等)，因而被稱之為智能儀器。

(1)是在數字化的基礎上發展起來的，是計算機技術與測量儀器相結合的產物。微處理器在智能儀器中的作用主要體現在以下兩方面：

①對測試過程的控制：接受來自鍵盤或通信接口的命令，解釋并執行這些命令，控制各部分的工作過程，同時對工作狀態進行監測。

②對測試數據的處理：表現為硬件電路只需具備最基本的測試能力，能向微型計算機提供原始數據即可。對數據的進一步處理如濾波、運算等可由軟件完成。

(2)智能儀器基本技術指標

測量的準確度和可靠性是智能儀器的兩項基本技術指標。對儀器的誤差進行校準可以保證儀器具有規定睥準確度。而對儀器的故障進行檢測和診斷則可及進發現錯誤、排除故障，使儀器可靠的工作。

保證儀器準確度(精度)措施：溫度補償、非線性校正、濾波；保證儀器可靠性措施：冗余設計、故障診斷。故障診斷方法：給被測對象施加一定的檢測信號，根據其輸出響應信號來判斷是否存在故障。

由于具有數字存儲、運算、邏輯判斷能力，可根據被測參數的變化自動選擇量程，具有自動校正、自動補償、自尋故障等功能，可以完成需要人類的智慧才能勝任的工作，即具備了一定的"智能"，故稱之為智能儀器。

智能儀器的出現，極大地擴充了傳統儀器的應用范圍。智能儀器憑借其體積小、功能強、功耗低等優勢，迅速地在家用電器、科研單位和工業企業中得到了廣泛的應用。

3、智能儀器的硬件發展

(1)單片機

以8位的8031等51系列單片機為儀器硬件主流。

(2)DSP芯片(數字信號處理)

利用硬件處理一些數學運算的芯片：AMD29500 16位雙極型DSP完成1024點FFT運算僅需2ms。

(3)ASIC芯片(專用集成電路)

1.2智能儀器的特點

與傳統儀器儀表相比，智能儀器具有以下特點：

一、測量過程的軟件控制

在測量軟件出現以前，是采用數字電路的時序控制。由于硬件的體積和成本的原因，現已采用CPU控制下的軟件指令替代硬件時序，使儀器測量變得靈活方便，誤差補償、診斷等。

二、數據處理

對測量數據進行存儲和運算。它主要表現為：1，改善測量的精確度；2，對測量結果進行再加工。

測量精確度：對隨機誤差(軟件濾波：限幅、中值、平均值)和系統誤差(溫度補償、非線性補償、零點補償、增益補償)進行處理。

測量結果分析：時域的波形分析、頻域分析等。使智能儀器提供更多高質量的信息量。

三、多功能化

智能儀器的測量過程、軟件控制及數據處理功能使一機多用的多功能化易于實現。

例如：可以顯示實時數值、歷史趨勢、存儲打印、報警聯網等。

1.3智能儀器的基本結構

兩種結構：微機內置式、微機擴展式

1、微機內置式(嵌入式)智能儀器

微機內置式：主要是單片機加調理電路

2、微機擴展式智能儀器

微機擴展式為個人計算機為核心加上測量板卡(內置)或插件箱(外置)。

1.4虛擬儀器

測量儀器的主要功能都是由數據采集、數據分析和數據顯示等三大部分組成的。在虛擬現實系統中，數據分析和顯示完全用PC機的軟件來完成。因此，只要額外提供一定的數據采集硬件，就可以與PC機組成測量儀器。這種基于PC機的測量儀器稱為虛擬儀器。

虛擬儀器=傳統測量板卡+PC+LV軟件。

在虛擬儀器中，使用同一個硬件系統，只要應用不同的軟件編程，就可得到功能完全不同的測量儀器。可見，軟件系統是虛擬儀器的核心，"軟件就是儀器"。因此，有人提出未來儀器的一種可能模式。(參閱教材P8圖1-4)

圖1虛擬儀器實驗平臺的硬件組成

圖

LABVIEW7.0 U12采集器

AD-JS20測控箱

電腦

傳統的智能儀器主要在儀器技術中用了某種計算機技術，而虛擬儀器則強調在通用的計算機技術中吸收儀器技術。作為虛擬儀器核心的軟件系統具有通用性、通俗性、可視性、可擴展性和升級性，能為用戶帶來極大的利益，因此，具有傳統的智能儀器所無法比擬的應用前景和市場。

虛擬儀器技術的優勢在于可由用戶定義自己的專用儀器系統，且功能靈活，很容易構建，所以應用面極為廣泛。尤其在科研、開發、測量、檢測、計量、測控等領域更是不可多得的好工具。虛擬儀器技術先進，十分符合國際上流行的"硬件軟件化"的發展趨勢，因而常被稱作"軟件儀器"。它功能強大，可實現示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號發生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可檢測特定系統的參數，如汽車發動機參數、汽油標號、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數等多種數據；它操作靈活，完全圖形化界面，風格簡約，符合傳統設備的使用習慣，用戶不經培訓即可迅速掌握操作規程；它集成方便，不但可以和高速數據采集設備構成自動測量系統，而且可以和控制設備構成自動控制系統。

在儀器計量系統方面，示波器、頻譜儀、信號發生器、邏輯分析儀、電壓電流表是科研機關、企業研發實驗室、大專院所的必備測量設備。隨著計算機技術在測繪系統的廣泛應用，傳統的儀器設備缺乏相應的計算機接口，因而配合數據采集及數據處理十分困難。而且，傳統儀器體積相對龐大，多種數據測量時常常感到捉襟見肘，手足無措。我們常見到硬件工程師的工作臺上堆砌著紛亂的儀器，交錯的線纜和繁多待測器件。然而在集成的虛擬測量系統中，我們見到的是整潔的桌面，條理的操作，不但使測量人員從繁復的儀器堆中解放出來，而且還可實現自動測量、自動記錄、自動數據處理。其方便之極固不必多言，而設備成本的大幅降低卻不可不提。一套完整的實驗測量設備少則幾萬元，多則幾十萬元。在同等的性能條件下，相應的虛擬儀器價格要低二分之一甚至更多。虛擬儀器強大的功能和價格優勢，使得它在儀器計量領域具有很強的生命力和十分廣闊的前景。

圖1.虛擬示波器

在專用測量系統方面，虛擬儀器的發展空間更為廣闊。環顧當今社會，信息技術的迅猛發展，各行各業無不轉向智能化、自動化、集成化。無所不在的計算機應用為虛擬儀器的推廣提供了良好的基礎。虛擬儀器的概念就是用專用的軟硬件配合計算機實現專有設備的功能，并使其自動化、智能化。因此，虛擬儀器適合于一切需要計算機輔助進行數據存儲、數據處理、數據傳輸的計量場合。測量與處理、結果與分析相脫節的面貌將大為改觀。數據的拾取、存儲、處理、分析一條龍操作，既有條不紊又迅捷快速。推而廣之，一切計量系統，只要技術上可行，都可用虛擬儀器代替，由此可見虛擬儀器應用空間是多么的寬廣。

在自動控制和工業控制領域，虛擬儀器同樣應用廣泛。決大部分閉環控制系統要求精確的采樣，及時的數據處理和快速的數據傳輸。虛擬儀器系統恰恰符合上述特點，十分適合測控一體化的設計。尤其在制造業，虛擬儀器的卓越計算能力和巨大數據吞吐能力必將使其在溫控系統、在線監測系統、電力儀表系統、流程控制系統等工控領域發揮更大的作用。

圖2.模糊PID溫度控制器

1.5結束語

智能儀器是計算機科學、電子學、數字信號處理、人工智能、VLSI等新興技術與傳統的儀器儀表技術的結合。隨著專用集成電路、個人儀器等相關技術的發展，智能儀器將會得到更加廣泛的應用。作為智能儀器核心部件的單片計算機技術是推動智能儀器向小型化、多功能化、更加靈活的方向發展的動力。可以預料，各種功能的智能儀器在不遠的將來會廣泛地使用在社會的各個領域。

本課程學習中需要注意的幾個問題：

1、智能儀器是多種技術的結合，雖然智能儀器與微處理器是緊密相連，但決不能將智能儀器簡單地與單片機等同。

2、如果對數據處理的實時性要求不是很高，對于軟件的開發完全可由C語言進行，不但可以避免復雜的匯編語言編程，維護難的特點，而且可以大大提高開發進程。

3、智能儀器主要從兩個方面學習，一是由單片機硬件為主的智能儀器；二是以LV軟件為主的虛擬儀器。

思考題：

1、什么是智能儀器?

2、儀器的基本技術指標?如何保證?

3、故障診斷方法?

4、智能儀器特點?

5、智能儀器有哪兩種結構?

6、什么是虛擬儀器?

第2章概述